CN103869626A - 超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，包括：一光源，用于提供一照明光束；一照明单元，用于将该照明光束调整为曝光光束并照射一掩模板；一投影物镜，用于将透射过该掩模板的成像光束成像至一硅片上；一偏振补偿装置，用于偏振调制该曝光光束或/和该成像光束，该偏振补偿装置位于该照明单元及该掩模板之间或者位于该投影物镜以及该硅片之间。

Description

超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超大规模集成电路生产设备步进扫描投影光刻机光刻成像技术领域，尤其涉及一种高数值孔径光刻成像偏振补偿装置。

背景技术

随着投影光刻技术的发展，光刻机的投影光学***性能逐步提高，目前光刻机已成功应用于亚微米和深亚微米分辨率的集成电路制造领域。用光刻机制造集成电路芯片时要求投影物镜具有较高的分辨率，以实现高集成度芯片的制备。为了满足对投影光物镜较高分辨率的要求，需要提高投影物镜的像方数值孔径（NA）。 然而，采用大数值孔径的投影物镜导致偏振光对光刻结果的影响变得明显，对不同方向的线条使用不同的偏振态光进行曝光，可以极大的提高光刻效果。为了描述实际偏振态与理想期望偏振态的差别，引进期望偏振光强IPS（Intensity in Preferred State）的概念。 期望偏振光强（IPS）是期望偏振态的光强占总光强的比例。

在超高数值孔径（NA) 光刻机尤其是NA>1的浸没光刻机中，偏振的控制尤为重要，即为控制IPS。早期的高NA光刻机中，一直被关注的是光源的偏振影响，而掩模及PO的光瞳偏振不被关注。随着浸没投影物镜NA的不断提高，照明偏振的控制所达到的IPS一般小于95%，而超高NA的偏振需求IPS要求大于97%，不能满足光刻成像需求。

专利US2008/0074632A1和专利US2009/0128796A1都提出了照明光路中偏振控制技术。US2008/0074632 A1中FIG1~FIG11描述了利用偏振态开关装置实现常用的四种照明模式传统照明，环形照明，四极照明和二级照明的偏振控制；专利US2009/0128796A1在照明光路中放置线性起偏器和旋光装置实现偏振控制。这些偏振控制技术都是保证在掩模面上照明的偏振方向最有利于光刻成像，而实际PO光路上由于Fresnel效应、材料双折射和镀膜的影响也会改变偏振态，偏振像差的残差积累值不容忽视，需要补偿和控制。尤其是，投影物镜光学元件的表面全部进行了镀膜，而目前大多数的镀膜都采用多层膜的膜系结构。光波在每一层膜的交界面的发生折反射时其偏振状态都会发生一定程度的改变，因此，在设计阶段不知道每个膜层的折射率信息的情况下是不可能精确计算出光的偏振态是如何随着光束的传播在光路中变化的，只能在设计过程中进行估算。这些不可预计的影响需要在物镜实际加工制造出来之后用偏振补偿来控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高数值孔径光刻成偏振补偿控制装置，在物面或像面或物像面同时放置偏振光瞳补偿器件对成像光束进行偏振调制，目的在于补偿超高NA光刻成像***中PO光路上的偏振像差影响，精确控制偏振态，提高光刻效果。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，包括：一光源，用于提供一照明光束；一照明单元，用于将该照明光束调整为曝光光束并照射一掩模板；一投影物镜，用于将透射过该掩模板的成像光束成像至一硅片上；一偏振补偿装置，用于偏振调制该曝光光束或/和该成像光束，该偏振补偿装置位于该照明单元及该掩模板之间或者位于该投影物镜以及该硅片之间。

更进一步地，该偏振补偿装置由石英基板制成的若干方形区域构成。该每个方形区域上形成了对该曝光光束或/和该成像光束进行X向偏振调制的电光晶体，该每个方形区域形成一偏振方向可变的X向线偏振器。该每个方形区域上形成了对该曝光光束或/和该成像光束进行Y向偏振调制的电光晶体，该每个方形区域形成一偏振方向可变的Y向线偏振器。该每个方形区域上形成了对该曝光光束或/和该成像光束进行S向偏振调制的电光晶体，该每个方形区域形成一偏振方向可变的S向线偏振器。该方形区域由微阵列电极装置控，利用不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变。

本发明同时公开一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿方法，包括：步骤一、检测各曝光视场的实际偏振态                                               

；步骤二、根据实际偏振态和期望偏振态

判断是否开始曝光或补偿偏振调整量；步骤三、根据各个偏振子单元需要调整量计算各个子单元需要调整的物理量

；步骤四、根据该各个子单元需要调整的物理量补偿实际偏振态。

更进一步地，该方法还包括步骤五、重复步骤一至四直至使该实际偏振态满足需求。

 与现有技术相比较，本发明所公开的超高数值孔径光刻成偏振补偿控制装置，在物面或像面或物像面同时放置偏振光瞳补偿器件对成像光束进行偏振调制，能有效补偿超高NA光刻成像***中PO光路上的偏振像差影响，精确控制偏振态，提高光刻效果，可以将期望偏振光强提高到97%以上，满足超高NA的偏振需求，实现分辨率及CDU需求。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是应用本发明偏振补偿装置的光刻装置的结构示意图；

图2是不同偏振态方向示意图；

图3是光刻装置的偏振测量补偿和调整流程图；

图4是为实现X方向偏振补偿装置示意图；

图5是为实现X方向偏振补偿效果示意图；

图6是为实现Y方向偏振补偿装置示意图；

图7是为实现Y方向偏振补偿效果示意图；

图8是为实现S偏振补偿装置示意图；

图9是为实现S偏振补偿效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的用于光刻装置的超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置及方法。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，“X方向”应理解为与水平面平行的方向，“Y方向”应理解为与水平面平行并与X方向垂直的方向，“Z方向”应理解为与水平面垂直并与X方向、Y方向垂直的方向。

图1是本发明应用的偏振补偿装置的光刻设备结构示意图。如图1中所示，光刻设备100包括用于光源1，提供曝光光束的照明***2~9以及掩模M，投影物镜PL和硅片W。对于超高NA光刻成像***，光源1一般为193nmArF激光器或248nmKrF激光器或其它紫外激光器。从激光器1而来的光沿Z轴方向传播，在XY面上的截面为长扇形光斑，传播至扩束器单元2，2a和2b是不同曲率半径的透镜，使光源在2b之后的光路XY截面上输出预定的目标扇形的光斑。

3为转折反射镜，光线经过3后转为沿Y向传播。10为旋光装置，20为消偏装置。4为衍射元件，5和7均为变焦光学单元，6为衍射光学元件，60为实现四极照明衍射光学元件，61为实现环形照明衍射光学元件，62为实现X向二极照明衍射光学元件，63为实现Y向二极照明衍射光学元件。5、6和7一起实现不同照明模式和不同相关因子的照明分布。8为微透镜阵列，实现均匀照明。9为聚光光学***，将均匀照明成像置掩模面M处。

投影光学***PL位于图 1所示的掩模M下方，其光轴AX平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光学***作为投影光学***，所以当照明***发射的曝光光束照射掩模M上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学***PL在涂覆有光刻胶的晶片W上成缩小的图像。

如图1中所示，11为照明部件与掩模之间的偏振补偿装置，13为物镜与硅片之间的偏振补偿装置，都能对对成像光束进行偏振调制。补偿装置一般由多个可以控制的偏振子单元组成。 为了补偿偏振，还需要偏振检测装置21为偏振检测装置，位于投影物镜像面上，可以检测各个视场点的偏振态。图1中31即为对各个偏振子单元进行控制的控制单元，一般包括探测传感***、板卡驱动***和电机执行***。21和31一起实现偏振补偿调整。

当光刻机实际工作时，从光源1发出的激光经过照明***2~9各个元件，在掩模面上形成一定视场的均匀照明。对于不同的掩模图形曝光时，光刻***会设置不同的期望偏振态。当光刻机曝光垂直线条图形时，需要设置X向偏振态，如图2-a所示。如光刻机曝光水平线条图形时，需要设置Y向偏振态，如图2-b所示。曝光同时由两个方向的线条时，需要S偏振，如图2-c所示的偏振态. 在45nm节点都要求IPS大于97%。不同的偏振态都需要偏振同补偿调整。

图4为实现X向偏振补偿装置方案示意图，偏振补偿装置11为一系列在石英基板11b上制作的若干个方形区域12构成。如图4所示，每个方形区域上还可以制作了对成像光束进行偏振调制的电光晶体；偏振光瞳器件上的每一个方形区域都形成线偏振器，如12其偏振方向可利用微阵列电极装置使12加电压，如图4所示根据不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。  

图6为实现Y向偏振补偿装置方案示意图，偏振补偿装置13为一系列在石英基板13b上制作的若干个方形区域14构成。如图6所示，每个方形区域上还可以制作了对成像光束进行偏振调制的电光晶体；偏振光瞳器件上的每一个方形区域都形成线偏振器，如14其偏振方向可利用微阵列电极装置使14加电压，如图6所示根据不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。

图8为实现S向偏振补偿装置方案示意图，偏振补偿装置15为一系列在石英基板15b上制作的若干个方形区域16构成。如图8所示，每个方形区域上还可以制作了对成像光束进行偏振调制的电光晶体；偏振光瞳器件上的每一个方形区域都形成线偏振器，如16其偏振方向可利用微阵列电极装置使14加电压，如图8所示根据不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变，以满足投影物镜的偏振像差补偿需求。

具体偏振补偿调整方法如图3所示，该偏振补偿调整方法的步骤为：

S1：首先由偏振检测装置21检测当前各视场的实际偏振态

；

S2：曝光不同的图形时，***都有与之对应的期望偏振态

，在控制程序中实际偏振态

与相比较期望偏振态

；如果

<

,则直接进入S5开始曝光，如果

>

, 需要确定偏振子单元N和需要偏振调整量

,进入S3；

S3：根据各个偏振子单元需要调整量

，控制单元计算各个子单元需要调整的物理量

；根据子单元调整量

，由控制***的电机单元驱动实现；

S4：调整完成后，重新检测偏振状态，如果不满足重复第一步到第五步，使偏振态满足需求。

当投影物镜中存在双折射或镀膜的影响时，测试出来实际的偏振态为图7中14a所示的偏振态,可以看出，14a偏振态与14b的偏振态存在差异，IPS为94%，不满足偏振需求。通过这两个偏振态差异，可以通过31偏振控制单元将14方形区域进行调整，调整量为 3%.经过调整后，使偏振态满足需求。

与现有技术相比较，本发明所公开的超高数值孔径光刻成偏振补偿控制装置，在物面或像面或物像面同时放置偏振光瞳补偿器件对成像光束进行偏振调制，能有效补偿超高NA光刻成像***中PO光路上的偏振像差影响，精确控制偏振态，提高光刻效果，可以将期望偏振光强提高到97%以上，满足超高NA的偏振需求，实现分辨率及CDU需求。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿装置，其特征在于，包括：

一光源，用于提供一照明光束；

一照明单元，用于将所述照明光束调整为曝光光束并照射一掩模板；

   一投影物镜，用于将透射过所述掩模板的成像光束成像至一硅片上；

   一偏振补偿装置，用于偏振调制所述曝光光束或/和所述成像光束，所述偏振补偿装置位于所述照明单元及所述掩模板之间或者位于所述投影物镜以及所述硅片之间。

2.如权利要求1所述的偏振补偿装置，其特征在于，所述偏振补偿装置由石英基板制成的若干方形区域构成。

3.如权利要求2所述的偏振补偿装置，其特征在于，所述每个方形区域上形成了对所述曝光光束或/和所述成像光束进行X向偏振调制的电光晶体，所述每个方形区域形成一偏振方向可变的X向线偏振器。

4.如权利要求2所述的偏振补偿装置，其特征在于，所述每个方形区域上形成了对所述曝光光束或/和所述成像光束进行Y向偏振调制的电光晶体，所述每个方形区域形成一偏振方向可变的Y向线偏振器。

5.如权利要求2所述的偏振补偿装置，其特征在于，所述每个方形区域上形成了对所述曝光光束或/和所述成像光束进行S向偏振调制的电光晶体，所述每个方形区域形成一偏振方向可变的S向线偏振器。

6.如权利要求2所述的偏振补偿装置，其特征在于，所述方形区域由微阵列电极装置控，利用不同的电压光轴偏转角度不同来实现不同的偏振态改变。

7.一种超高数值孔径光刻成像偏振补偿方法，其特征在于，包括：

步骤一、检测各曝光视场的实际偏振态                                                

；

步骤二、根据实际偏振态

和期望偏振态

判断是否开始曝光或补偿偏振调整量；

步骤三、根据各个偏振子单元需要调整量

计算各个子单元需要调整的物理量

；

步骤四、根据所述各个子单元需要调整的物理量补偿实际偏振态。

8.一种如权利要求7所述超高数值孔径光刻成像偏振补偿方法，其特征在于，所述方法还包括步骤五、重复步骤一至四直至使所述实际偏振态满足需求。

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